CN1129473A - 燃料喷射器喷嘴 - Google Patents

Abstract

一种喷射器喷嘴包括一个机体(10)，机体(10)中有一个用于喷射流体的喷嘴，喷嘴由一个具有内表面的出口(17)和一个具有互补外表面的阀元件(13)组成，阀元件(13)相对出口(17)是可移动的，以便在上述两个表面之间提供流体通道，用于喷射喷雾状的流体，或者上述两个表面之间保持密封接触，用于防止流体的喷出，其特征在于，在与出口(17)的位置相对应处，在喷射器喷嘴机体(10)的端面之外，布置有一个流体流量控制体(30)。流量控制体(30)上有一个控制表面(33)，其形状和位置能够促使从出口(17)中喷出的流体喷雾沿着至少由控制表面(33)的局部所确定的路线流动。

Description

燃料喷射器喷嘴

本发明涉及一种用于喷射流体的阀控喷嘴，例如内燃机中所使用的、用于喷射燃料的阀控喷嘴。应当理解，本说明书中所涉及的“内燃机”也包括那些具有间断燃烧周期的发动机，例如两冲程循环或四冲程循环的往复式发动机或旋转式发动机。

从喷射器喷嘴喷射到内燃机中(例如直接喷射到燃烧室)的燃料喷雾的特性对燃料的燃烧过程有着极大的影响，而燃料的燃烧又影响着发动机的工作稳定性、发动机的燃料效率和发动机的排气成份。为了优化这些影响，特别是在利用火花点火的发动机中，从喷射器喷嘴中喷出的燃料喷雾的理想特性应当包括：较小的燃料微滴尺寸(液体燃料)；可控制的喷雾形状；以及在直喷发动机的情况下，燃料在燃烧室中的可控射程。此外，至少在燃料加注率较低时，希望在发动机的火花塞附近能够提供密度较大和分布均匀的可点火燃料汽雾。

一些已知的、用于向发动机燃烧室直接喷射燃料的喷射器喷嘴通常具有向外开启的提升阀，这些喷嘴能够喷射出圆柱形的或发散锥形的燃料喷雾。燃料喷雾的形状特性取决于多种因素的影响，这些因素包括：构成喷嘴的出口及阀的几何形状，特别是位于阀座处的出口及阀的表面形状，其中，当喷嘴关闭时，出口和阀将与阀座密封接合。一旦选定了喷嘴的几何形状，以便喷射器喷嘴能够具有所要求的性能，那么，在燃烧过程中保持喷嘴的这种形状是十分重要的，否则发动机的性能将会降低，特别是在燃料加注率较低的情况下。

燃烧残留物或其它沉积物在燃料所流经的喷嘴表面上的附着将会影响经过喷嘴的燃料流动路线的几何形状，并因此会对燃料的正确分配和发动机的燃烧过程产生不利影响。表面附着的主要原因是：燃料燃烧过程中所产生的碳分子或其它分子具有一定的附着力，并且在喷射循环之间，燃料的不充分燃烧也会在表面上留下残留燃料。减少或控制这种附着现象的方法公开在本申请人的澳大利亚专利No.36205/89和71474/91中。

我们知道，从喷嘴中喷射出的中空喷雾或燃料卷流一开始将沿着主要由燃料的出口方向和出口速度所确定的路线流动。我们也知道，当燃料喷雾越过喷射器喷嘴的端部时，在紧靠喷嘴出口的喷嘴下游，在喷雾所包围的区域中将会产生一个压力，此压力小于燃料喷雾外侧的压力，因此，这种压力差将会使喷雾向内收缩。这种收缩通常称为“颈缩”。

人们已经发现，对从喷射器喷嘴中喷射出的燃料流的扰动将会极大地影响燃料喷雾或燃料卷流的形状，特别是在颈缩部分中和颈缩部分之后。这种影响能够产生不可预测的燃料偏转和/或燃料散射，这又会对燃烧过程产生不利的影响，并会使燃料的消耗加大，使废气排放达到所不希望的水平，特别是在低负荷状态下工作时，还会增加发动机工作的不稳定性。

能够产生不利影响的扰动因素包括：在喷射器喷嘴的出口表面上附着有不均匀的沉积物，例如碳分子和其它燃烧沉积物；喷嘴上的阀和阀座元件之间存在偏心；或阀杆与相配合的孔之间有过大的间隙等，其中，当阀开启和关闭喷射器喷嘴出口时，阀杆能够在上述孔中轴向移动。阀的横向移动或偏心，以及阀或阀座表面上的沉积物都会使燃料在喷嘴周边不同区域中的相对流量发生改变，从而产生非对称的燃料喷雾。

上述对燃料喷射的扰动，例如对喷射到发动机燃烧室的燃料喷雾的扰动对于靠高度分层的空气/燃料混合物而工作的发动机来说有着十分重要的影响，其中，在低负荷状态下，高度分层的空气/燃料混合物能够有效地控制废气的排放。

在本申请人的国际专利申请No.PCT/AU93/00074(出版号为WO93/16282)中介绍了一种喷射器喷嘴，其上有一个悬垂在阀头上的突出物，并且突出物具有一外部环形表面。然而，本申请人发现，上述突出物的几何形状只是许多种不同的可用几何形状中的一种，这些几何形状都可以用于控制从喷射器喷嘴中喷出的燃料喷雾或卷流的形状和方向。此外，本申请人还发现，从热传导和机械性能的角度来看，还可以对上述专利申请中所公开的突出物作进一步的改进，使得突出物具有更大的热保持性，并具有燃烧或去除碳分子沉积物的能力。本申请人在研究中还发现了可以用于支撑突出物的不同结构形式，就控制从喷射器喷嘴中喷出的燃料喷雾的形状和方向来说，上述的结构形式将是十分有益的。

因此，本发明以最广泛的形式提供一种喷射器喷嘴，它包括一个机体，机体中有一个用于喷射流体的喷嘴，上述喷嘴由一个具有内表面的出口和一个具有互补外表面的阀元件组成，上述阀元件相对上述出口是可移动的，以便在上述两个表面之间提供流体通道，用于喷射喷雾状的流体，或者上述两个表面之间保持密封接触，用于防止流体的喷出，其特征在于，在与上述出口的位置相对应处，在喷射器喷嘴机体的端面之外，布置有一个流体流量控制体，上述流量控制体有一个在阀元件的运动方向上与喷嘴保持一定距离的控制表面，上述控制表面的形状和位置能够促使从上述出口中喷出的流体喷雾沿着由上述控制表面的形状所确定的路线流动。

流量控制体的形状和位置最好允许燃料喷雾向内收缩，以便使其能够沿着由控制表面的形状所确定的路线流动。

流量控制体可以方便地连接在阀元件上或安装在喷射器喷嘴的机体上，使得流量控制体沿着与流体喷雾的喷出方向基本相同的方向延伸，并越过阀元件或机体的最端部。然而，这种定位或安装方式并不是必须的，也可以使用任何其它有益的定位或安装方式。

本发明可以十分有益地应用在内燃机中的燃料喷射器喷嘴上，特别是应用在向发动机燃烧室直接喷射燃料的喷射器喷嘴上，并且特别适合于燃料混夹在气体(空气)中的场合。因此，流量控制体可以有益地布置在发动机燃烧室中的某些特定位置上。当希望在内燃机的燃烧室中将燃料喷雾引向某一特定方向时，例如希望引向火花塞等点火装置时，流量控制体最好不安装在阀元件上。因此，流量控制体不一定是位于阀元件某一端部上的突出物或其上的一部分。例如，流量控制体也可以悬垂在缸盖、缸壁、火花塞或任何其它适当表面上。

流量控制体的控制表面通常可以是一外部表面，并且流量控制体可以是中空的，但对于其它的应用场合来说，内部控制表面可能更为合适。

在流量控制体安装在阀元件上或安装在喷射器喷嘴的机体上的情况下，可将流量控制体加工成至少是局部中空的，以便使流量控制体具有更高的热保持特性，因为这样将能减少热量流向阀元件和/或喷嘴的传热通道。因此，流量控制体将能够更有效地保持高温，同时，使得因碳分子沉积在喷嘴和/或阀元件表面而带来的影响变小。此外，在流量控制体安装在可移动的阀元件上的情况下，减轻重量将能改善阀机构的响应特性。另外，流量控制体的中空结构也可以延伸到阀元件上，这样便可以减小阀元件的开启和关闭运动的冲量。特别是，当流量控制体具有一个从阀头上悬垂下来的颈缩部分时，中空部分也可以限制传导到阀元件和喷嘴上的热量。

流量控制体在横断面上和长度方向上可以具有广泛的几何形状，其中包括非对称断面形状，或断面几何形状不变，但断面面积发生变化的形状。此外，流量控制体上可以加工多个内部或外部槽，上述槽将有助于形成所希望的喷雾形状。这些槽同时也能够增加流量控制体的表面面积，对于提高流量控制体的热量来说，表面面积的增加是十分有用的。此外，流量控制体不必与阀元件或阀元件的运动方向同轴，也不必对称于某一特定轴线。

此外，流量控制体上可以有一个能够相对其它部分运动的可移动部分。例如，可移动部分可以安装在与阀元件相连的流量控制体上。可移动部分可以是一个可移动地安装在与阀元件相连的栓塞部分上的圆环，圆环能够随着阀元件的运动而运动。可移动部分的运动受到碰撞面的限制，可移动部分与碰撞面的碰撞将会引起流量控制体的振动，从而能够去除沉积在其上碳分子沉积物。用于为燃料喷雾进行导向的表面最好全部或局部地由可移动部分提供。

在上述的各个建议方案中，流量控制体的形状和位置最好在喷嘴开启时能够使从喷嘴中喷射出的流体喷雾包围流量控制体上、与阀元件相邻的控制表面部分，并且使流体喷雾能够基本上沿着至少局部地由流量控制表面的形状所确定的路线流动。此外，上述的流量控制体既可以应用于提升型阀，也可以应用于针栓型阀，并且流量控制体能够与这些类型的阀中的阀元件相连。

当流量控制体与阀元件相连时，可以通过在阀元件和流量控制体的端部之间提供一个颈缩部分，方便地使流量控制体与阀元件保持一定的距离，颈缩部分减小了热量流通通道的断面面积，通过该通道，热量能够从流量控制体流进阀元件，并通过喷射器喷嘴传递到发动机缸体或缸盖上。颈缩部分对保持流量控制体中的热量十分有用，因此使得流量控制体能够具有足够高的温度，足以烧掉沉积在其表面上的碳分子或其它分子。同样，当流量控制体连接在喷射器机体或燃烧室的其它部分上，而不是连接在阀元件上时，也可以提供一个颈缩或狭小部分，以便获得上述的热保持效果。

利用流量控制体对从喷射器喷嘴中喷射出的流体喷雾进行控制是一种非常有效的方法，它能够对燃烧过程进行更好的管理，对废气排放和发动机的燃料效率进行更有效的控制。通过对喷嘴下游的流体喷雾提供一个用于导向的物理表面，流量控制体能够使流体喷雾的形状更加稳定。在喷射流体喷雾的过程中，也能减小流体的横向偏转。

流体喷雾与流量控制体之间的接触之所以会出现，主要是因为，在喷雾从喷射器喷嘴喷出之后的一个很短的距离内，由于Coanda效应，喷雾将会自然地向内收缩。一旦出现了这种接触，喷雾将会保持与流量控制体控制表面的接近状态，并在控制表面的导向下流动。因此，喷雾将沿着基本上与流量控制体的表面相一致的路线流动，从而减小了流体喷雾发生横向位移和/或扰动的可能性。

应当注意到，与前述的、能够引起流体喷雾不均匀性和偏转的各种影响因素相反，流量控制体的控制表面对流体喷雾所进行的导向将能保证喷射到发动机燃烧室中的流体喷雾的流动方向的均匀性。此外，对流体喷雾进行导向也能够纠正因发动机制造上的变化而引起的喷雾形状的改变和对喷雾形状的扰动，上述制造上的变化包括因发动机而异的制造误差。

通过对燃料喷嘴优选实施例的详细描述以及通过参考附图，本发明的优点及特点将会变得更加清楚。

图中：

图1是本发明第一优选实施例中燃料喷射阀的局部断面视图，其中，燃料喷射阀中具有一个悬垂的流量控制体；

图2与图1相似，是另一种流量控制体的局部断面视图；

图3是一燃料喷射阀的局部断面视图，其中，燃料喷射阀中具有另一种类型的悬垂流量控制体；

图4与图3相似，是另一种流量控制体的局部断面视图；

图5是一燃料喷射阀的局部断面视图，其中，燃料喷射阀中具有悬垂的、由多元件组成的流量控制体；

图6是一燃料喷嘴的局部断面视图，其中，燃料喷嘴具有一个由喷射器机体支撑的流量控制体；

图7是一燃料喷嘴的局部断面视图，其中，燃料喷嘴具有一个由喷射器机体支撑的流量控制体，用于将燃料引向火花塞；

图1～7所示的以及后面将要描述的燃料喷嘴和阀可以应用在各种类型的燃料喷射器中，用于将燃料输送到发动机的燃烧室。本申请人的国际专利申请No.WO88/07628和美国专利NO.4844339中公开了几种典型的带有前述喷嘴的喷射器形式，本说明将利用这些现有文件作为参考。

现在参考图1，燃料喷嘴的机体10一般为圆柱形，其上具有插塞部分11，插塞部分11用于插在完整的燃料喷射器装置上的配合部分的孔中。与喷嘴机体10相配合的阀元件13包括阀头14和阀杆15。阀杆15上有一个导向部分18，导向部分18在机体10的孔12中能够沿轴向滑动。阀杆15是空心的，以便能够通过其空心部分传送燃料，并且开口16位于阀杆15的侧壁上，使得燃料能够从阀杆15的内部流到孔12中。

阀头14具有部分球面形的形状，并且布置在位于机体10端部的、与孔12相通的出口17中。出口17的内壁具有锥形形状，并且当阀13处于关闭位置时，出口17的内壁将沿座线20与阀头14接合。流量控制体30与阀13的阀头14连为一体，并且通过颈缩部分31与阀头14相连。与流量控制体30的大部分断面相比，颈缩部分31具有缩小的断面面积，以便限制从流量控制体30流进阀13和喷嘴机体的热量，并且如上所述，因此能够提高流量控制体30的温度。

流量控制体30由两个具有锥形形状的部分36和37组成，其中，长度较短的锥形部分36与颈缩部分31相连。为了进一步限制从流量控制体30流到喷嘴的热量，在导向突出部分30中加工有一个圆柱形的空腔30b。因此，流量控制体30的剩余壁厚或热传导面积明显小于具有实心结构的流量控制体30的壁厚或热传导面积。因此，在30a的附近限制了对喷射器喷嘴的热传导，并且改善了流量控制体30的热保持性能。

应当注意到，空腔30b不必一定是圆柱形的，而可以具有任意几何形状，只要它能够减少热传导路线即可。提供空腔30b的另一个好处是，空腔30b能够减小阀元件13的动量，并对阀元件13的关闭速度产生影响，因此，改善了喷射控制特性和降噪特性。

在流量控制体30上，两部分36和37之间的结合部分32的直径是这样选择的，当开口17开启时，应该使从开口17喷出的燃料喷雾能够沿着流量控制体30的外表面33所确定的路线流动。结合部分32的直径主要通过实验来确定，结合部分32能够促使所喷射的燃料喷雾的内边缘层与流量控制体30的外表面33相接近，使得燃料喷雾将沿着与表面33互补的路线流动。通过有意识地选择外表面33的形状，也可以使燃料沿着不与喷射器喷嘴同轴的方向喷射。

如果出口17和阀头14的形状将使燃料喷雾从喷嘴的端面向外偏转喷出，那么流量控制体30上的结合部分32的直径最好打于阀头14的直径。然而，结合部分32的直径绝不能大到使其伸进或穿过燃料喷雾的程度，否则将会截断燃料喷雾和/或使燃料喷雾发生偏转，这将与本发明的目的相违背。此外，在喷嘴附近，流量控制体30的直径可以小于阀头14的直径，因为当燃料喷雾离开喷嘴以后，如前所述，所喷出的燃料喷雾将自然地向内收缩，并因此将与流量控制体30的外表面33相接近。此外，通过选择阀头14的端面与流量控制体30上的结合部分32处的外表面33之间的轴向距离，可以促使所喷射的燃料喷雾和外表面33的接近。

本领域的技术人员都能理解，流量控制体30的尺寸大小受到多种因素的影响，包括：喷射器喷嘴的尺寸、所喷射流体或燃料的特性、以及流体或燃料从喷嘴喷出的速度和方向等。作为一个例子，下面将给出图1中所示的流量控制体30的典型尺寸：

构成外凸阀表面的球体直径5.5mm

阀座夹角80°

流量控制体端部直径2.5mm

流量控制体下端夹角40°

流量控制体上端夹角85°

流量控制体长度8.2mm

图2表示了另一种形式的喷射器喷嘴和流量控制体，其中，流量控制体26的导向表面27不是典型的截锥形，而是沿纵向弯曲的锥形。在开始阶段的上部29，表面27具有非收敛的形状，而在远离阀头23的下部28，表面27平滑地过渡成收敛形状。

应当注意到，由于阀头23的表面和与之相配的出口25的表面是同轴的，并且基本上在同一径向平面上同时截止在喷嘴的出口端，因此，所喷射出的燃料喷雾一开始将与表面27的发散部分29相接近，之后，将沿着由表面27的收敛部分28所确定的路线流动到流量控制体26的下端。此外，如前所述，可以在突出部分26的表面上加工多个弧形的纵向槽41。对槽41的数量和几何形状没有特别的限制。

如图3和图4所示，在喷嘴阀元件13的下方可以分别采用三棱柱形状和四棱柱形状的流量控制体42或43。应当注意到，在阀13的轴向上，流量控制体42，43具有不变的截面形状。此外，图3和图4所示的流量控制体42，43的几何形状对于阀13的轴线来说是分别对称的，但它们不必一定对称于阀13的轴线或与阀13的轴线同轴。

参见图5，图5表示了另一种流量控制体的结构，在这种结构中，流量控制体35是一个栓塞38，栓塞38从阀头39的端面48的中部向下伸出，一直延伸到法兰部分47，并且在阀头39和法兰48之间，栓塞38上套有一个可移动的环形圈50。环形圈50的外表面50a上具有流量控制表面，如前所述，燃料喷雾将与上述表面接近，并沿规定的路线流动。

环形圈50具有能够沿着栓塞38的轴向运动的自由度，并且环形圈50随着阀头39开启和关闭喷嘴出口的运动而运动。当环形圈50运动时，环形圈50将对法兰47或对阀头39的端面48产生冲击。环形圈50的这种冲击将会引起整个流量控制体35产生振动，这种振动足以除去附着在流量控制体35上的碳分子。

作为对图5中实施例的一种改进，可以提供中空的栓塞38和/或法兰47，以便使流量控制体35能够最大限度地保持热量。同样，也可以采用几何形状与环形圈50的几何形状不相同的可移动元件。此外，为了改变流量控制体35的热保持特性或振动特性，环形圈50、栓塞38以及法兰47可以由具有不同导热性或密度的材料制造。

对于上述每个实施例来说，流量控制体都可以由具有低热传导性的材料制造，特别是由热传导率小于不锈钢热传导率的材料制造，而通常的燃料喷嘴中的阀都是由不锈钢制造的。

图6表示了一种流量控制体的结构，其中，流量控制体61布置在一个支撑臂60的下游端部上，而支撑臂60则是从图1所示的插塞部分11的端面70向下延伸的。支撑臂60的设计使得其不会阻碍燃料从出口17中喷出，并且能够保证，当喷嘴开启时，从喷嘴喷射出来的燃料喷雾将沿着流量控制体61的外表面61a所确定的路线流动。如果需要的话，支撑臂60可以用比插塞部分11的热传导性高的材料制造，以便增加对流量控制体的热传导，并提高流量控制体的热保持性。

参见图7，在弧形臂160的下游端部，布置有一个流量控制体161，流量控制体161的轴线与阀元件113的中心轴线成一定角度，并且流量控制体161具有控制表面173。在工作时，从出口117中喷射出来的燃料喷雾将沿着控制表面173被导向火花塞180。

应当理解，图6或图7所示的流量控制体61，161也可以连接到阀元件上、喷嘴机体上、火花塞上、缸壁上或缸盖上的任何有益的位置上。本发明不对这种位置作任何限制。此外，流量控制体61，161不必是几何对称的，并且在流量控制体61，161中可以提供中空的部分。

本发明能够应用在各种结构的提升型燃料喷射器喷嘴上，在这些燃料喷射器喷嘴中，燃料能够以卷流的形式从燃料喷射器的喷嘴中喷出，这里所说的喷射器包括只用于喷射燃料的喷射器和用于喷射混夹在气体(空气)中的燃料的喷射器。能够应用本发明的喷嘴结构的例子在本申请人的美国专利No.5090625和国际专利申请WO91/11609中都有描述，这两份文件在本说明中供参考使用。除了用于喷射燃料外，本发明所涉及的喷射器喷嘴也可以用于喷射其它流体，同时也能够对流体喷雾进行有益地控制。此外，根据本发明的喷射器喷嘴也可以用于针栓型阀中。

本发明并不局限于上面的描述，本领域的技术人员可以在本发明的范围内对本发明进行各种修改。应当理解，本发明可以应用于直接向燃烧室或发动机供气系统提供燃料的喷射器喷嘴，也可以应用于两冲程循环和四冲程循环的发动机。此外，除了向内燃机提供燃料以外，本发明的喷射器喷嘴也可以用在其它应用场合。

Claims (11)

1.一种喷射器喷嘴包括一个机体，上述机体中有一个用于喷射流体的喷嘴，上述喷嘴由一个具有内表面的出口和一个具有互补外表面的阀元件组成，上述阀元件相对上述出口是可移动的，以便在上述两个表面之间提供流体通道，用于喷射喷雾状的流体，或者上述两个表面之间保持密封接触，用于防止流体的喷出，其特征在于，在与上述出口的位置相对应处，在喷射器喷嘴机体的端面之外，布置有一个流体流量控制体，上述流量控制体上有一个在阀元件的运动方向上与喷嘴保持一定距离的控制表面，上述控制表面的形状和位置能够促使从上述出口中喷出的流体喷雾沿着由上述控制表面的形状所确定的路线流动。

2.根据权利要求1的喷射器喷嘴，其特征在于，流量控制体由在阀元件和流量控制体之间延伸的颈缩部分所支撑，并因此在流量控制体和阀元件之间构成了一个基本延伸到阀元件外周边的环形空间。

3.根据权利要求1的喷射器喷嘴，其特征在于，流量控制体由一个刚性地固定在喷嘴机体部分上的元件所支撑。

4.根据权利要求1，2或3的喷射器喷嘴，其特征在于，流量控制体的位置和形状能够促使流体喷雾向内收缩，以便使其沿上述路线流动。

5.根据上述任何一项权利要求的喷射器喷嘴，其特征在于，控制表面相对于出口和阀元件的公共轴线来说是对称的。

6.根据权利要求1，2，3或4中任何一项权利要求的喷射器喷嘴，其特征在于，控制表面相对于与出口和阀元件的公共轴线相倾斜的轴线来说是对称的。

7.根据权利要求1～6中任何一项权利要求的喷射器喷嘴，其特征在于，流量控制体是局部中空的。

8.根据权利要求7的喷射器喷嘴，其特征在于，在远离阀元件的端部上，流量控制体是敞口的，并且空腔从上述端部伸向流量控制体的另一端部。

9.根据上述任何一项权利要求的喷射器喷嘴，其特征在于，流量控制体在其长度方向上具有基本为圆形的横断面，并且从流量控制体远离阀元件的端部到一中部平面，流量控制体的直径是逐渐增大的，而从上述中部平面到流量控制体的另一端部，流量控制体的直径是逐渐减小的。

10.根据权利要求9的喷射器喷嘴，其特征在于，流量控制体的轴线与阀元件和出口的轴线相倾斜。

11.根据权利要求1的喷射器喷嘴，其特征在于，流量控制体安装在一个芯部元件上，而上述芯部元件又固定在阀元件上，上述流量控制体在芯部元件上能够沿轴向作有限的自由运动。

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